煤化工非正常生产污染排放探讨
2016-02-16O龚晓峰荆琦张景康王荣中国石油大学华东山东266580
O龚晓峰 荆琦 张景康 王荣(中国石油大学(华东) 山东 266580)
煤化工非正常生产污染排放探讨
O龚晓峰 荆琦 张景康 王荣
(中国石油大学(华东) 山东 266580)
本文以GE法和东方炉法为基础,分析研究了煤化工工艺在非正常生产阶段污染的排放,以供煤化工企业在生产与污染防治过程中进行参考。
GE;东方炉;煤化工;非正常生产;污染
1.前言
我国是一个油气资源相对匮乏的国家,另一方面我国拥有丰富的煤炭储量,长期以来我们只是利用煤炭进行发电、取暖等低利用率高污染的产业。煤制油、煤制烯烃及其衍生物、煤制天然气、煤制二甲醚等煤化工行业恰好在解决这两个问题方面展示出了巨大的商机与潜力。然而作为一个新兴的行业,煤化工行业必然存在着许多问题尚待发现与解决,比如生产过程中的能耗水耗、工艺的能源利用率以及效益值等,这是当前国家审批部门最关心的问题和主要的研究方向。但在整个研究过程中,人们忽略了一个重要的环节即开停车等非正常生产环节所带来的问题。到底非正常生产环节的污染问题严重与否,非正常生产环节的具体哪个阶段污染所占比重更大,本文将通过GE法和东方炉法的理论计算与经验计算的对比对以上问题进行一一解答。
2.工艺简介
(1)GE法工艺简介
Texaco(德士古)水煤浆加压气化工艺简称GE,是美国德士古石油公司在重油气化基础上发展起来的,主要由以下五大系统组成:
①制浆系统:制浆系统用于水煤浆的制备。原料煤经煤称重给料机计量后送人磨机,同时在磨机中加入水、添加剂、石灰石、氨水,经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆,合格的水煤浆由低压煤浆泵送人煤浆槽中。②合成气系统:水煤浆经高压煤浆泵加压后与高压氧气经烧嘴混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室,在燃烧室中进行复杂的气化反应,生成的煤气(称为合成气)和熔渣经激冷环及下降管进人气化炉激冷室冷却,冷却后的合成气经喷嘴洗涤器进人碳洗塔,熔碴落人激冷室底部冷却、固化,定期排出。在碳洗塔中,合成气进一步冷却、除尘,并控制水气比(即水汽与干气的摩尔比),然后合成气出碳洗塔进入后工序。③烧嘴冷却系统:工艺烧嘴是气化装置的关键设备,一般为三流道外混式设计,在烧嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化,以利于气化反应。由于烧嘴插人气化炉燃烧室中,承受1400℃左右的高温,为了防止烧嘴损坏,在烧嘴外侧设置了冷却艋管,在烧嘴头部设置了水夹套,并由一套单独的系统向烧嘴供应冷却水,该系统设置了复杂的安全联锁。④锁斗系统:落入激冷室底部的固态熔渣,经破渣机破碎后进人锁斗系统(锁渣系统),锁斗系统设置了一套复杂的自动循环控制系统,用于定期收集炉渣。在排渣时锁斗和气化炉隔离锁斗循环分为减压、清洗、排渣、充压四部分,每个循环约30分钟,保证在不中断气化炉运行的情况下定期排渣。⑤闪蒸及水处理系统:闪蒸及水处理系统主要用于水的回收处理。气化炉和碳洗塔排出的含固量较高黑水,送往水处理系统处理后循环使用。首先黑水送人高压、真空闪蒸系统,进行减压闪蒸,以降低黑水温度,释放溶性气体及浓缩黑水,经闪蒸后的黑水含固量进一步提高,送往沉降槽澄清,滤清后的水循环使用。
(2)东方炉工艺简介
SE-东方炉粉煤气化技术(简称SE-东方炉)是由中石化宁波技术研究院有限公司/中石化宁波技术研究院有限公司与华东理工大学合作开发的激冷流程粉煤气化技术。该方法针对化工合成气的制备工艺特点,采用干煤粉加压气化配激冷流程,核心技术为单喷嘴水冷壁气化炉。整个气化装置由煤粉制备、粉煤高压供料与输送、气化与激冷、合成气初步净化以及渣水处理单元组成。SE一东方炉气化工主要工艺流程配置内容如下:
①主要工艺单元,包括磨煤及干燥、粉煤加压及输送、气化及洗涤、除渣等单元设置多系列,分别对应一台气化炉,增加系统操作的可靠性及装置的开工率。②采用磨煤与干燥一体化的制粉系统,用于制备符合一定粒度与湿含量要求的煤粉。③粉煤加压及输送单元内,一个系列设置一个常压粉煤仓、一个粉煤锁斗或两个粉煤锁斗(日投煤1500吨以上配置两个粉煤锁斗)和一个高压粉煤给料罐,通过粉煤锁斗的放料一泄压一进料一加压的操作循环,将粉煤分批次、稳定可控地从常压粉煤仓送至粉煤给料罐。④采用列管式水冷壁气化炉,每台气化炉顶部设置一个集点火、开工和投煤于一身的组合式烧嘴,激冷流程。⑤粉煤给料罐、输送管线上设置的通气锥、通气管、调节器、调节阀组成了粉煤加压、浓相输送系统,该系统是粉煤加压气化技术的核心之一,为气化炉提供稳定可控的煤粉。根据投煤能力和气化炉规格,设置2条或3条以上煤线,对应设置氧线,氧线和煤线相对应,提高系统操作灵活性。⑥气化炉内粗合成气的洗涤及激冷采用喷淋床与鼓泡床组成的复合床式洗涤冷却设备,能较好地抑制粗合成气带水、带灰。⑦粗合成气的初步净化顺序通过混合器、旋风分离器、水洗塔完成,具有高效分离与节能功效。⑧灰水处理单元内采用蒸发热水塔回收灰水热量,来自气化及洗涤单元的灰水和在此闪蒸出来的蒸汽与返回灰水直接接触回收热量,该工艺具有节能、不易堵渣的特点,可确保装置长周期运行。
3.开停车工艺
(1)GE法开停车工艺
①开车。单台气化炉开车需经过升温、升压过程,达到下游变换装置接气条件后将粗合成气从火炬管道切换至变换装置,在此之前,粗合成气经洗涤塔降温除尘后送至高压富氢火炬进行燃烧处理。开车流程如下:
A.气化炉升温。气化炉升温采用燃料气烘炉,在纯氧的气氛中,燃料气燃烧放热,升温过程约30min,气化炉内的温度达到1000 ℃左右,此时气化炉内压力约1.5 MPa。
B.气化炉升压。当气化炉升至约1000℃后,利用低温甲醇洗来的高压CO2作为输送气(气量约为满负荷生产过程输送气流量的75%),将煤粉通过喷嘴与高压氧气一同喷入气化炉中,继续升温升压,整个过程约1h。压力稳定后,粗合成气进入下游变换装置。
②停车。单台气化炉停车时,关闭气化炉出口,泄压后,用N2将炉内的合成气吹扫出气化炉,整个过程废气均排往火炬。
本项目正常工况时为5台气化炉同时运行,据现场运行经验,每台气化炉一般75天就需更换一次,全年按8760小时计。
(2)东方炉开停车工艺
开车流程如下:①气化炉升温。气化炉升温采用燃料气柴油烘炉,在纯氧的气氛中,燃料气燃烧放热,升温过程约30min,气化炉内的温度达到1000℃左右,此时气化炉内压力约1.5MPa。②气化炉升压。当气化炉升至约1000℃后,利用低温甲醇洗来的高压CO2作为输送气(气量约为满负荷生产过程输送气流量的75%),将煤粉通过喷嘴与高压氧气一同喷入气化炉中,继续升温升压,整个过程约1h。压力稳定后,粗合成气进入下游变换装置。③停车。单台气化炉停车时,关闭气化炉出口,泄压后,用N2将炉内的合成气吹扫出气化炉,整个过程废气均排往火炬。④本项目拟采用粉煤加压气化工艺,共设置6台气化炉,5开1备。在全厂正常生产过程中,由于高压煤粉对气化炉喷嘴的磨损作用,出于安全生产的考虑,每台气化炉需定期停车检修,更换气化炉喷嘴。据气化炉运行经验,每台气化炉一般150天就需更换一次,全年按8000小时计。
4.结果分析与比较
根据化学反应方程式以及元素守恒定律可以计算出在开停车非正常生产阶段的污染物理论排放量。根据一些经验公式以及经验系数的选取我们也能选出污染物的经验排放量,汇总如下表所示:
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东方炉水煤浆气化装置开停车阶段污染排放表项目开车升温阶段 开车升压阶段 停车卸压阶段SO2经验/ kg SO2理论/ kg NO经验/ kg NO理论/ kg SO2经验/t SO2理论/t NO经验/t NO理论/t SO2经验/t SO2理论/t NO经验/t NO理论/t数值 0.06 0.058 0.1 0.0035 0.48 0.48 0.55 0.62 0.019 0.019 0.011 0.0076比例/% 0.012 0.012 0.017 0.0005 96.18 96.18 96.64 98.79 3.81 3.81 1.93 1.21
(1)非正常生产不同阶段污染物排放比较
从表中数据可以看出对于GE水煤浆气化工艺和东方炉气化工艺无论是理论计算还是经验计算,其污染物NO和SO2都主要集中在开车升压阶段,都超过了整个非正常生产阶段的90%以上,而开车升温阶段的污染物排放都不足整个非正常生产阶段的1%,几乎可以忽略不计其影响。
(2)全年开停车过程污染物排放量与总排放量的分析
通过计算可以看出,GE水煤浆气化工艺过程中,全年NO的排放量为550吨,SO2的排放量为650吨,非正常工作阶段的NO排放量为8.49吨,SO2排放量为6.59吨,分别只占了全年总排放量1.54%和1.01%(经验计算结果为3.88% 和0.82%);对于东方炉气化工艺过程来说,其非正常工作阶段的NO排放量为6.97吨(经验算法为6.32吨),SO2排放量为5.54吨(经验算法为5.54吨),分别只占了全年总排放量1.27%(经验算法为1.15%)和0.85%(经验算法为0.85%),两种方法的非正常排放都只占总排放量的1%左右,并不是污染的主要来源基本可以忽略其影响
总结
通过以上的计算与比较可以看出,煤化工工艺的非正常生产阶段所造成的污染在整个生产环节中所占的比例很小,其主要污染环节仍集中在正常生产阶段。对于煤化工工艺的污染防治问题我们应该将主要精力集中在正常生产环节,以避免不必要的浪费。对于生产规模很大,污染物排放量巨大的产业,其非正常生产阶段的污染物排放可能无法忽略。这时如果需要采取措施我们应该着重关注开车升压环节,开车升压阶段是非正常生产阶段的主要污染环节。
[1]陈庆龄,杨为民,滕加伟.《中国石化煤化工技术最新进展》,2013, 34:217-224.
[2]张磊.《GE水煤浆气化工艺改进探讨》.1005—9598(2013)一02—0036
[3]张炜,亢万忠,郭文元.《SE一东方炉煤气化技术及其工业应用》. 2015,315103
Discussion of Coal Chemical Industry Abnormal Production Pollution Discharge
Gong Xiaofeng, Jing Qi, Zhang Jingkang, Wang Rong
(China University Of Petroleum(Eastern China), Shandong, 266580)
This paper takes GE method and eastern furnace method as the basis, and it takes research on the pollution discharge of coal chemical industry technology in the stage of abnormal production so that to provide reference for the coal chemical industry enterprises in the process of production and pollution prevention.
GE;eastern furnace;coal chemical industry;abnormal production;pollution
T
A
龚晓峰(1995~),男,中国石油大学(华东),研究方向:安全工程专业。